загрузка...
загрузка...
На головну

Практичний тепловий баланс

  1. I. Для організацій, що мають самостійний баланс
  2. VI. Підсумковий баланс.
  3. VIII. Тепловий розрахунок редуктора
  4. Адаптація рослин до підтримання водного балансу
  5. баланс азоту
  6. Аналіз ліквідності балансу
  7. Аналіз ліквідності і платоспроможності за даними бухгалтерського балансу

Практичний тепловий баланс в загальному випадку визначається простим рівнянням

,

де Qпр- Фізичне тепло, внесене в апарат реагентами, матеріалом апарату (для періодичних процесів), тепло фазових переходів, тепло реакції і т. Д .;

Qвитр - Фізичне тепло, що буря з апарату продуктами реакції;

Qпіт - Тепло, що втрачається в навколишнє середовище.

При невідомих розмірах апарату точне визначення величин тепла, що втрачається в навколишнє середовище, неможливо. В цьому випадку приймають Qпіт рівним 3-5% від максимального значення суми внесеного або буря тепла. Якщо геометричні розміри апарата відомі, то можна оцінити втрати тепла по рівнянню тепловіддачі

де Q - Потік втраченого тепла, Вт;

F- Зовнішня поверхня теплообміну апарату, кв.м;

aп - Зовнішній коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (кв.м · К);

tп - Температура зовнішньої поверхні апарату, ° С;

tо - Температура навколишнього середовища, ° С.

Температура зовнішньої поверхні апарату або визначається з санітарних умов (<50 ° С), або задається умовами роботи апарату. Температура навколишнього середовища вибирається мінімальної для даного приміщення або району (при установці устаткування на відкритому повітрі). Зовнішній коефіцієнт тепловіддачі розраховується за двома складовими:

aн = aк + aл,

де aк - Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією;

aл - Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням.

Конвективний коефіцієнт тепловіддачі залежить від місця установки устаткування і від його положення в просторі.

Горизонтальні трубопроводи і обладнання всередині приміщень: при

при

,

де d - Зовнішній діаметр апарату.

Для вертикальних апаратів і трубопроводів всередині приміщення:

При установці обладнання на відкритому повітрі:

- Для плоских стінок

,

де w - Швидкість вітру, м / с;

l - Довжина стінки у напрямку вітру, м;

- Для апаратів

- Для горизонтальних трубопроводів

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням (температура в К)

,

де C1 - Ступінь чорноти поверхні апарату або трубопроводу.

У разі розрахунку теплоізоляції апарату або трубопроводу, величина Q буде допустимої втратою тепла в навколишнє середовище. Тоді товщину шару теплоізоляції можна розрахувати за формулою

де lз - Коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції.

Розглянемо розрахунок теплового балансу на прикладі.

приклад 9.2. Визначити температуру реакційної суміші процесу окислення метанолу до формальдегіду на вході в реактор, вважаючи температуру на виході з реакційної зони рівної 800 ° С. Результати матеріальних розрахунків взяти з прикладу 4.3. Теплоємності компонентів реакції прийняти середніми при температурі 650 ° С.

Рішення: Визначимо теплоємності компонентів процесу. З довідника [18] випишемо стандартні ентальпії освіти і температурні залежності теплоємності всіх речовин, що беруть участь в процесі.

Для всіх реакцій процесу розрахуємо ентальпію реакції:

реакція (1) -115,9-241,84 + 201,2 + 0,5 · 0 = -156,54 кДж / моль;

реакція (2) -115,9-0 + 201,2 = 85,3 кДж / моль;

реакція (3) -110,5-2 · 0 + 201,2 = 126,35 кДж / моль;

реакція (4) -74,85-241,84 + 201,2 = -115,49 кДж / моль;

реакція (5) -376,7-241,84 + 115,9 = -502,64 кДж / моль;

реакція (6) -393,51-241,84 + 115,9 + 1,5 · 0 = 519,45 кДж / моль.

Тоді рівняння реакцій з термохимическим правилом знаків (парниковий ефект в кДж / моль) приймуть вигляд:

CH3OH + 1 / 2O2= CH2O + H2O + 156,54; (1)
 CH3OH = CH2O + H2-85,3; (2)
 CH3OH = CO + 2H2-126,35; (3)
 CH3OH + H2= CH4+ H2O + 115,49; (4)
 CH3OH + O2= HCOOH + H2O + 502,64; (5)
 CH3OH + 1,5O2= CO2+ 2H2O-519,45. (6)

На підставі матеріального балансу розрахуємо молярний витрата метанолу по кожній з реакцій системи, а потім і кількість що виділяється або поглинається тепла (див. Табл. 9.2.), Звідки тепловий ефект процесу буде дорівнює 604,8 кВт.

Таблиця 9.1. Ентальпії утворення і температурні залежності теплоємності

 компонент  DH0, КДж / моль  Теплоємність, Дж / (моль · К)
a b· 103 c ·106 c'· 10-5
 кисень  31,46  3,30 -  -3,77
 азот  27,87  4,27 - -
 СО  -110,5  28,41  4,10 -  -0,46
 СО2  -393,51  44,14  9,04 -  -8,53
 водень  27,28  3,26 -  0,502
 вода  -241,84  30,00  10,71 -  0,33
 метанол  -201,2  15,28  105,2  -31,04 -
 метан  -74,85  17,45  60,46  1,117 -
 СН2О  -115,9  18,82  58,38  -15,61 -
 НСООН  -376,7  19,4  112,8  -47,5 -

Таблиця 9.2. До розрахунку сумарного теплового ефекту процесу

 номер реакції  Витрата метанолу, кмоль / год  Тепло реакції, кДж / моль  Витрата тепла, кВт
 (1)  23,95  156,54
 (2)  16,75  -85,3  -397
 (3)  0,154  -126,35  5,4
 (4)  0,456  115,49  -14,6
 (5)  2,75  502,64  -384
 (6)  2,45  -519,45
 Разом:  63,93    604,8

Таблиця 9.3. Середні теплоємності компонентів реакції

 компонент  Теплоємність, Дж / (моль · К)  Теплоємність, Дж / (кг · К)
 кисень  31,46
 азот  27,87
 СО  28,41
 СО2  44,14
 водень  27,28
 вода  30,00
 метанол  15,28
 метан  17,45
 СН2О  18,82
 НСООН  19,40

Складемо тепловий баланс процесу окислення метанолу, попередньо розрахувавши теплоємності .компонентов при заданій температурі 650°З по рівняннях

Дані розрахунку занесені в табл. 9.3.

Фізичне тепло, внесене компонентами в реактор:

з метанолом 1860 · 2,44 · t / 3600 = 1,2607 ·t кВт;

з киснем 586 · 1,05 · t / 3600 = 0,1709· t кВт;

з азотом 1920 · 1,12 · t / 3600 = 0,5973· t кВт.

Всього на вході в реактор 2,0289 ·t кВт.

Таблиця 9.4. Тепловий баланс процесу отримання формальдегіду

 ПАРАФІЯ ТЕПЛА  ВИТРАТИ ТЕПЛА
 статті  КВт %  статті  КВт %
 Спирто-повітряна суміш: МетанолКіслородАзотТепло реацііОшібкі округлення  650,588,2308,2604,8 0,2  39,385,3418,6636,61 0,01  ФормальдегідМетанолВодяной парНСООНСО2СОМетанВодородАзотПотері тепла  493,4201,7207,747,827,11.16,6109,9477,978,7  29,8712,2112,572,891,640,070,406,6528,934,77
 РАЗОМ:  1651,9  РАЗОМ:  1651,9
             

 

Фізичне тепло, що буря компонентами з реакційної зони:

з формальдегідом 1220 · 1,82 · 800/3600 = 493,4 кВт;

з метанолом 372 · 2,44 · 800/3600 = 201,7 кВт;

з водяною парою 572 · 2,13 · 800/3600 = 207,7 кВт;

з оцтовою кислотою 126,5 · 1,7 · 800/3600 = 47,8 кВт;

з діоксидом вуглецю 108 · 1,13 · 800/3600 = 27,1 кВт;

з оксидом вуглецю 4,3 · 1,13 · 800/3600 = 1,1 кВт;

з метаном 7,3 · 4,05 · 800/3600 = 6,6 кВт;

з воднем 34,1 · 14,5 · 800/3600 = 109,9 кВт;

з азотом 1920 · 1,12 · 800/3600 = 477,9 кВт;

Всього на виході - 1573,2 кВт.

Приймемо втрати тепла в кількості 5% від його витрати. Складемо рівняння теплового балансу, з якого визначимо температуру на вході в реактор:

2,0289 · t + 604,8 = 1573,2 + 0,05 · 1573,2.

t= (1,051573,2-604,8) / 2,0289 = 516 ° C.

Занесемо результати розрахунку в табл. 9.4.

Приклад 9.3.Провести тепловий розрахунок і скласти тепловий баланс колони синтезу аміаку відповідно до вихідних даних:

температура в зоні реакції t= 500 ° C;

кількість газової суміші на вході в колону V1 = 119025 нм3/ Ч;

температура газової суміші на вході t1= 35 ° С;

кількість газової суміші на виході з колони V2 = 102329 нм3/ Ч;

температура газової суміші на виході t2= 110 ° С.

Склад газової суміші

 компонент  Склад газової суміші,% за об'ємом
 на вході  на виході
 водень  74,1  62,06
 азот  24,7  20,7
 аміак  1,2  17,24

Кількістьутворюється аміаку GNH3= 12500 кг / год.

Робочий тиск в апараті Pp= 30 МПа.

Температура води

на вході 200 ° С;

на виході 374 ° С.

Рішення. (Вихідні дані і фізико-хімічні властивості компонентів взяті з літератури [11, 49, 120].)

Складемо рівняння теплового балансу

.

Прихід тепла в колону синтезу аміаку (SQпр).

1) З газовою сумішшю

,

де G1 - Кількість що надходить газової суміші, кмоль / год;

Ср1 - Її молярна теплоємність, Ср1= 31,0 кДж / (кмоль ? К).

Звідки  кВт.

2) Тепловий ефект реакції синтезу аміаку при високому тиску. Визначається за рівнянням

де qp - Тепловий ефект реакції, кДж / кмоль;

Рхат - Надлишковий тиск в реакторі, Па;

Т - Температура, К.

В даному випадку

Т= 273 + 500 = 773 К;

Р= 30 ? 106 Па.

Звідки

Загальна кількість тепла, що виділяється при синтезі аміаку, буде

 = 10806 кВт.

3) З охолоджуючої водою на вході

,

де i/ - Ентальпія води на вході при температурі 200 ° С, що дорівнює 853 кДж / кг;

W - Витрата охолоджуючої води, кг / с.

Загальний прихід тепла в колону синтезу аміаку

 кВт.

Витрата тепла в колоні синтезу аміаку

1) Витрата тепла, що буря з газовим потоком, дорівнює

,

де G2 - Кількість йде газової суміші, кмоль / год;

Ср2 - Її молярна теплоємність, Ср2= 33,1 кДж / (кмоль ? К).

 4620 кВт.

2) Тепло, що буря охолоджуючої водою,

,

де i// - Ентальпія води на виході при температурі 374 ° С, i//= 2100 кДж / кг.

3) Втрати тепла в навколишнє середовище можна прийняти рівними 5% від тепла, внесеного в колону синтезу аміаку

 кВт.

Загальний витрата тепла

 кВт.

Рівняння теплового балансу

.

Звідки витрата охолоджуючої води буде дорівнює

 кг / с.

Складемо таблицю теплового балансу (табл. 9.5).

Таблиця 9.5. Тепловий баланс колони синтезу аміаку

 прихід тепла  витрата тепла
 статті приходу  кВт  статті витрат  кВт
 Газова смесьРеакція сінтезаОхлаждающая вода  Газова смесьОхлаждающая водаПотері тепла
 Разом  Разом

 



Попередня   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   Наступна

стехіометричні розрахунки | Рівновага хімічної реакції | Розрахунок складу рівноважної суміші | Загальне рівняння балансу маси | Практичний матеріальний баланс | Фізико-хімічні основи технологічного процесу | Г л а в а 8 | Основні положення хімічної кінетики | Розрахунок ідеальних реакторів | Визначення обсягів апарату |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати